哈工大控制系统设计第15讲-2012

哈尔滨工业大学控制与仿真中心第6章调节系统的设计——Part1授课教师：马杰CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心Contents调节系统的特点及控制规律A1调节系统的类型A217March2020A3PID系统的设计A4过程控制系统的设计CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.1调节系统的特点及控制规律6.1.1调节的定义及特点6.1.2调节系统的控制规律CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020调节系统的定义6.1.1调节系统的定义及特点自动调节系统是指这样的反馈系统，它的输出量基本保持某个不变值或是随时间和其它要求缓慢地变化。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020调节系统的特点6.1.1调节系统的定义及特点输出量保持某个不变值抑制扰动CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March2020调节系统的控制规律6.1.2调节系统的控制规律线性系统的基本控制规律比例（P）、积分（I）、比例-微分（PD）、比例-积分（PI）和比例-积分-微分（PID）控制规律CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.1.2调节系统的控制规律PID控制具有以下优点：(1)原理简单，使用方便；(2)适应性强,按PID控制规律进行工作的控制器早已商品化，即使目前最新式的过程控制计算机，其基本控制功能也仍然是PID控制；(3)鲁棒性强，即其控制品质对被控制对象特性的变化不大敏感。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.1.2调节系统的控制规律在控制系统的设计与校正中，PID控制规律的优越性是明显的，它的基本原理却比较简单。基本PID控制规律可描述为sKsKKsGDIPc)(这里KP、KI、KD为常数。设计者的问题是如何恰当地组合这些元件或环节，确定连接方式以及它们的参数，以便使系统全面满足所要求的性能指标。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.1.2调节系统的控制规律比例控制器的传递函数为PcKsG)(式中，KP称为比例系数或增益（视情况可设置为正或负）。比例控制器作用于系统，系统的特征方程0)()(1)(0sHsGKsDP比例（P）控制作用CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.1.2调节系统的控制规律比例微分（PD）控制作用比例微分控制的传递函数为sKKsGDPc)(KD称为微分增益。控制器的输出信号：dttdeKteKtuDP)()()(CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.1.2调节系统的控制规律比例微分（PD）控制作用原系统的开环传递函数：)2()(20nnsssG串入PD控制器后系统的开环传递函数：)2()()()()(20nDPncsssKKsGsGsGCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.1.2调节系统的控制规律比例微分（PD）控制作用微分作用的波形图CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.1.2调节系统的控制规律比例微分（PD）控制作用微分控制对系统的影响可通过系统单位阶跃响应的作用来说明。设系统仅有比例控制的单位阶跃响应如图(a)所示，相应的误差信号及其误差对时间的导数分别示于图（b）和（c）。从图（a）可看出，仅有比例控制时系统阶跃响应有相当大的超调量和较强烈的振荡。微分控制反映误差的变化率，只有当误差随时间变化时，微分作用才会对系统起作用，而对无变化或缓慢变化的对象不起作用，因此微分控制在任何情况下不能单独地与被控对象串联使用，而只能构成PD或PID控制。另外，微分控制有放大噪声信号的缺点。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.1.2调节系统的控制规律积分（I）控制作用积分控制的传递函数sKsGIc)(PI控制器的传递函数为sKKsKsKKsGPIPIPc)/()(CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.1.2调节系统的控制规律比例积分微分(PID)控制作用PID控制器是比例、积分、微分三种控制作用的叠加，又称为比例-微分-积分校正，其传递函数可表示为sKsKKsGDIPc)(可改写为：)11()(sTsTKsGDIPcCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.1.2调节系统的控制规律比例积分微分(PID)控制作用)11()(sTsTKsGDIPc式中，称为PID控制器的积分时间；PDDKKT称为PID控制器的微分时间。IPIKKT实际工业中PID控制器的传递函数为)111()('sKTsTsTKsGDDDIPcCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.1.2调节系统的控制规律比例积分微分(PID)控制作用例：对一个三阶对象模型1331)(23ssssGo单采用比例控制，由MATLAB，可研究不同KP值下闭环系统的单位阶跃响应曲线。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.1.2调节系统的控制规律比例积分微分(PID)控制作用P控制CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.1.2调节系统的控制规律比例积分微分(PID)控制作用可以看出，当KP的值增大，系统响应速度也将增快。但当KP增大到一定值，则闭环系统将趋于不稳定。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.1.2调节系统的控制规律比例积分微分(PID)控制作用将KP值固定，采用PI控制，不同TI值下的闭环系统阶跃响应。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.1.2调节系统的控制规律比例积分微分(PID)控制作用将Kp、TI值固定Kp＝1,TI＝1使用PID控制。研究Td变化时系统的单位阶跃响应。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.1.2调节系统的控制规律比例积分微分(PID)控制作用同样看出TD值增大时，系统的响应速度将增大，系统的响应幅值也将增加。CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.2调节系统的类型调节系统的类型积分加一阶模型一阶加时间滞后1KGssTs1sKGseTsCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.2调节系统的类型调节系统的类型积分加一阶模型1KGssTs-1-0.9-0.8-0.7-0.6-0.5-0.4-0.3-0.2-0.10-15-10-5051015NyquistDiagramRealAxisImaginaryAxis012345012345StepResponseTime(sec)AmplitudeTCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.2调节系统的类型调节系统的类型一阶加时间滞后1sKGseTs-1-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.81-0.8-0.6-0.4-0.200.20.40.60.8NyquistDiagramRealAxisImaginaryAxis012345600.10.20.30.40.50.60.70.80.91StepResponseTime(sec)AmplitudetTCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.3PID系统的设计PID系统的设计例1：航向保持时，船舶自动驾驶仪设计。1KGsss对象：PD控制：pdDsKKs,pndKK特征方程：210dpsKKsKK抑制风对船体产生的平均力矩：PID控制CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.3PID系统的设计PID系统的设计例2：火炮稳定器传感器：角度陀螺仪速率陀螺仪速度反馈：为系统提供阻尼CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.3PID系统的设计PID系统的设计例2：火炮稳定器Md：外力矩。包括火炮的耳轴与轴承间的摩擦力矩、车体振动时，因火炮重心偏离耳轴轴线而引起的惯性力矩。21ddpsMsJsKsK1CompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.3PID系统的设计PID系统的设计例2：火炮稳定器若车体振动幅度max=6°，振动周期T=1.5s，即k=4.2rad/s设此时外力矩的幅值Mmax=38kgm,允许炮身强迫振荡的幅值为max=0.001rad。21ddpsMsJsKsK12dpKKJCompanyLogo哈尔滨工业大学控制与仿真中心17March20206.3PID系统的设计PID系统的设计例2：火炮稳定器若车体振动幅度max=6°，振动周期T=1.5s，即k=4.2rad/s设此时外力矩的幅值Mmax=38kgm,允许炮身强迫振荡的幅值为max=0.001rad。max22max110.001kdpkpsjradMJsKsKJK哈尔滨工业大学控制与仿真中心